「戦略的国際脳科学研究推進プログラム」（国際脳）は、革新脳等の既存ナショナルプロジェクトとの緊密な連携の下、国際的な連携強化を図り、ライフステージに着目し、正常から疾患までの縦断的な脳画像解析･ヒト－非ヒト霊長類種間比較･ヒトの脳機能の神経回路レベルでの解明を行う事で、精神・神経疾患の早期発見、早期介入等の実現へ向けて推進するプロジェクトである。

 

精神・神経疾患で障害の見られる高次認知機能の神経基盤を明らかにするためには、ヒト脳機能イメージングによる関連脳活動とその神経回路の同定が有効である一方、それらの因果関係を実証するために実験動物を用いた研究が不可欠である。本研究では、進化的にヒトに近縁で脳活動を直接計測する上で代替のない優れたモデル動物であるマカクザル並びにマーモセットをヒトと比較する研究を、国際連携を基盤として推進することを目的とする。ヒト用超高磁場７TMRI をプラットフォームとして用いることにより、解剖と機能（感覚、行動・運動制御、意思決定、社会性、機能回復・可塑性）の種間相同性を明らかにする。サルの神経科学とヒトのイメージング研究の協調的、相補的な推進によって解明すべき認知・行動機能として、社会的相互作用と運動制御を対象とする。社会的相互作用における具体的な認知行動機能として、（１）他者動作の参照、（２）報酬の自他比較、（３）運動の自他同期を設定する。運動制御は、サルを用いたシステム神経科学で研究の進んだ領域であり、その多くはヒトで遭遇する疑問から出発し、局所での神経活動記録とその解析、活動操作（刺激、機能阻害）が中心であった。脳機能イメージングを組み合わせることによって脳全体の活動を把握することにより、研究対象部位が他のどの部位と連関しているかを把握すると共に、イメージングデータを介してサルのモデルへの介入結果をヒトに戻していく戦略を採用する。具体的な認知行動機能として、(4) 運動関連大脳皮質領域―基底核におけるsomatotopy、(5) 運動関連領野（一次運動野、運動前野）の構造と機能の分化を、特に両半球間交連性結合の強度を指標に比較・解析し、それが頚髄部分損傷後の手指の巧緻運動の機能回復過程においてどのように可塑的に変化するのかを明らかにすること、を対象とする。

 

7TMRI にて、ヒト、ニホンザル、マーモセットを対象に、T1、T2、T2*、拡散強調画像、安静時fMRI の撮像を実施した。磯田、南部らと協力し、電気生理実験と同一のチャンバー付き個体撮像、マンガン造影撮像の最適化を実施した。Human Connectome Project (HCP) pipeline の拡張により、チャンバー付き個体の前処理、ノイズ除去の適用が可能となった。これにより、回路操作による介入を実施したニホンザルの計測を開始した。また、ヒトおよびサルMRI データを総合的に管理可能な HCP フォーマットにてデータの統合を開始した。ヒトとサルの安静時fMRI と拡散強調 MRI による機能的結合研究を加速するため、ヒトを対象とした２個体同時計測fMRI(3T)による、見つめ合いから言語を用いた共同注意を課題とする一連の実験結果を用いて、社会性関連皮質―皮質下回路候補を同定した。

 

メンタライジングシステムの中核領域である内側前頭前野と上側頭溝領域からLFP を同時計測し、腹側運動前野から内側前頭前野に至る経路が、実在の他者との相互交渉において重要な役割を果たすことを示した。ウイルスベクター二重感染法を用いて腹側運動前野から内側前頭前野に至る経路を選択的に遮断し、社会的文脈において特異的な干渉効果をもたらすことを確認した。社会脳メンタライジングシステムの中核領域である内側前頭前野と、社会脳を構成する皮質下領域として近年注目される視床下部外側野を対象にLFP を同時計測し、内側前頭前野から視床下部外側野への情報流が、他者の報酬情報に基づく主観的価値の評価に重要であることを明らかにした。ウイルスベクター二重感染法を用いて内側前頭前野から視床下部外側野に至る経路を選択的に遮断し、他者の報酬情報が主観的価値の評価に使われなくなることを確認した。

 

ニホンザル大脳皮質一次運動野の運動制御機構を調べる目的で、一次運動野の上肢領域にAAVベクターを用いてチャネルロドプシンを発現させた。光刺激と電気刺激が行える電極を大脳皮質に刺入し、青色レーザーによる光刺激と皮質内微小電気刺激の比較を行った。光刺激でも、電気刺激と同様に上肢の筋電図や運動を誘発することができた（Watanabe et al. 2020）。この刺激システムを用いて、７TMRI にてfMRI を施行したところ、小脳に活動が見られた（Goda et al. 2022)。

 

サルを対象とした脊髄亜半切モデルを用いて、運動機能回復過程の神経基盤を明らかに使用としている。安静時BOLD MRI 信号から得られた結合性と、安静時皮質脳波から得られた結合性との比較を行ったところ、皮質脳波のα 帯域において、一次運動野を中心としたときに体性感覚野や運動前野との結合性が高く、安静時BOLD MRI から得られていた結合性を反映する結果が得られた。